[科普中国]-微合金化钢

介绍

微合金化技术是20世纪70年代在国际冶金界出现的新型冶金学科。微合金化钢是采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品。它是在普通的C-Mn钢或低合金钢中添加微量（质量分数通常小于0．1%）的强碳氮化物形成元素（如铌、钒、钛等）进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺（脱气、脱硫及夹杂物形态控制）炼钢，在加工过程中施以控制轧制/控制冷却等新工艺，通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力学性能配合的工程结构材料——微合金化钢。

合金化与“冶炼”反应及结晶过程中元素参与形成或影响夹杂或生成有害的共晶相等产物和作用机理是不同的。从存在形态、结构与组织、性能三方面来描述，合金化的物理本质是：通过元素的固溶及其固态反应。影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能。

“微合金化”是指这些元素在钢中的含量较低．通常低于0.1%（质量分数）。与钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是为改善钢材的性能有目的地加到钢中的。合金化元素与微合金化元素不仅在含量上有区别，而且其冶金效应也各有特点：合金化元素主要影响钢的基体，而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。

微合金化钢的强化机理晶粒细化强化晶粒细化是钢最主要的强化方式之一，同时，它也是钢铁材料大幅度提高韧性的最重要的韧化方式。

晶粒细化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：材料的晶粒越细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难；另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。与晶内的形变及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。

固溶强化按照溶质的存在方式，固溶可分为间隙固溶和置换固溶两类。置换固溶或间隙固溶的异质原子，以点状障碍物的形式起着阻碍位错运动的作用，称为固溶强化。从几何尺寸来看，也可以说是“点性”强化，或“0”维强化。

钢的固溶强化是人们最早研究和应用的强化方式之一，碳原子的间隙固溶强化是钢中最经济、最有效的强化方式。而置换固溶强化在很多合金钢中也是相当重要的强化方式。1

微合金化作用通过加入一种或多种微量元素， 使合金获得所需组织和性能的方法。 合金化效果取决于添加微量元素的最 佳含量。在软钢和高强度低合金钢中 可添加微量Nb、V、Ti等。在铸造镍 基高温合金中可添加B、Zr、Hf、Y、 Ce等。变形高温合金中可添加B、C、 B+Zr、La+Ce、Mg等。形成链状分 布的碳化物、硼化物等可以通过阻止 晶粒长大、阻止晶界滑移、阻止空穴集 聚长大、强化晶界、减缓缺口敏感等途 径，改善或提高合金的性能。稀土元素 可通过净化晶界，去除低熔点杂质或 提高杂质熔点等途径，改善或提高其 持久、蠕变、疲劳强度和耐腐蚀、抗氧 化等性能。

微合金化元素在钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金化元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素对钢的强韧化所起的作用被广泛地应用于各类钢铁产品。2